Manual de Laboratorio Vias de Comunicacion

CAP Í TULO I INTRODUCCI Ó N I.1. HISTORIA Y PROCEDENCIA DEL ASFALTO El cemento asfáltico es el material de ingeniería más antiguo. Sus propiedades como la adherencia y resistencia al agua llegaron a ser conocidas por las antiguas civilizaciones. Fue utilizado utilizado por la industria de barcos barcos en Sumeria hace 6,000 6,000 años A.C. Otra antigua antigua civilización en el Valle de Indus (noreste de La India), utilizó el cemento asfáltico en las construcciones de grandes baños públicos y tanques de agua hace 3,000 años A.C. El uso de ceme cemento ntoss asfál asfálti ticos cos natur natural ales es como como morte morteros ros,, bloqu bloques es de pav pavim imen ento tos, s, selladores para barcos, etc., continuó en los años siguientes en varias partes de todo el mundo. Los cementos asfálticos comerciales pueden ser clasificados en dos categorías: a. Asfa Asfalt ltos os Na Natu tura rale less b. Asfaltos Asfaltos extraídos del del petróleo petróleo

Manual de laboratorio de asfaltos

Universidad Tecnológica Centroamericana

Cientos de miles de toneladas de asfalto natural han sido extraídas del Lago Trin Trinid idad ad,, y hast hastaa los los mome moment ntos os no hay hay ning ningun unaa seña señall sign signif ific icat ativ ivaa de disminución del nivel del lago. Las primeras capas de pavimento de asfalto extraídas del Lago Trinidad fueron colocadas en la avenida Pennsylvania en el año 1876 en Washington D.C. Pero debido a la baja penetración1 que éste posee (3-10), fue dejado utilizar en la construcción de pavimentos flexibles en los Estados Unidos. I.1.2 Asfaltos Extraídos del Petróleo Los asfaltos extraídos del petróleo, son hidrocarburos coloidales dispersos en el petróleo crudo y se obtienen obtienen del del refinamiento refinamiento del crudo del petróleo. petróleo. Después del descubrimiento del proceso de refinamiento del crudo a principios del siglo, y con la venida de los automóviles, grandes cantidades de asfalto han sido sido extraí extraídas das por las las compa compañía ñíass petrol petrolera eras. s. Gradu Gradual alme mente nte,, estos estos asfal asfalto toss refinados llegaron a sustituir a los asfaltos naturales debido a la alta calidad que ofrecían los asfaltos extraídos del petróleo.



I.2 TIPOS DE ASFALTO Y USOS Los asfaltos utilizados en la construcción de pavimentos flexibles, pueden ser divididos en: a. Cementos asfálticos b. Emulsiones Emulsiones asfálticas asfálticas c. Asfaltos rebajados I.2.1 Cementos Asfálticos Como se mencionó anteriormente, anteriormente, el cemento cemento asfáltico se obtiene del proceso de destilación del crudo del petróleo. A temperatura ambiente, el cemento asfáltico es color negro, pegajoso, semisólido y altamente viscoso. Es un cemento con excelentes características adhesivas, resistente al agua, sales, ácidos, alcalinos y muy durable. La mayor utilidad del cemento asfáltico es en la construcción de pavimentos flexibles. El cemento asfáltico puede ser combinado con agregados minerales mediante la aplicación de calor, para producir mezclas de asfalto en caliente (concreto asfáltico). Al enfriarse a temperatura ambiente, las mezclas de asfalto en caliente, pueden soportar pesadas cargas de tráfico vehicular y hasta aéreo. De



estándares ASTM D-946. Cabe mencionar que la prueba de penetración, consiste en medir cuanto penetra una aguja de dimensiones estándares, en una muestra de cemento asfáltico a una temperatura, tiempo y carga establecida por la norma ASTM D-5. El segundo método para clasificar el cemento asfáltico, es mediante el grado de viscosidad, tal como se especifica en la norma ASTM D-3381. Este sistema de clasificación se basa ya sea en la viscosidad del cemento asfáltico original, o en la viscosidad del cemento asfáltico envejecido por medio de una prueba de película delgada. Ambas viscosidades son medidas en poises a 60°C. Los grados de viscosidad basados en las pruebas al asfalto original son: AC-2.5, AC-5, AC-10, AC-20, AC-30 y AC-40. El valor numérico indica la viscosidad a 60°C en cientos de poises. Los grados de viscosidad basados en las pruebas hechas a los residuos obtenidos de la prueba de película delgada, son: AR-1000, AR-2000, AR-4000, AR-8000 y AR-16,000. Los valores numéricos indican la viscosidad en poises a 60°C. Un tercer método de clasificación basándose en el rendimiento, ha sido desarrollado en el Programa de Investigación Estratégica de Autopistas (EE.UU.), y se discutirá mas adelante en este capítulo.



ambiente frío, endurecen el cemento asfáltico rápidamente. Una vez colocado el asfalto rebajado sobre el pavimento, el solvente se evapora dejando el cemento asfáltico como residuo en la superficie. Basándose en la tasa de evaporación relativa, los asfaltos rebajados pueden dividirse en tres tipos: a. De curado rápido (RC): Producido mediante la adición de un disolvente ligero de alta volatilidad (generalmente gasolina o nafta), al cemento asfáltico. Éstos, son utilizados por lo general, en tratamientos para superficies de pavimentos. b. De curado medio (MC): Producidos mediante la adición de un disolvente medio de volatilidad intermedia (kerosén por ejemplo), al cemento asfáltico. c. De curado lento (SC): Producidos mediante la adición de un aceite de baja volatilidad (diesel generalmente), al cemento asfáltico.

Diferentes grados de asfalto rebajado pueden ser encontrados en el mercado. El grado con mayor fluidez se designa con el numero 30, y solo existe para asfaltos



además del agua, pequeñas cantidades de sustancias volátiles que se evaporan en la atmósfera. b. Pérdida de productos de alta energía: Cuando los asfaltos rebajados secan, los diluyentes que son de alta energía y alto precio, son desperdiciados al evaporarse en la atmósfera. c. Seguridad: Las emulsiones asfálticas son seguras de manejar. Hay muy poco peligro de que se produzca un incendio en comparación con los asfaltos rebajados de los cuales muchos tienen un punto de inflamación muy bajo. d. Temperatura de aplicación más baja: Las emulsiones asfálticas pueden ser aplicadas a temperaturas relativamente bajas en contraste con los asfaltos rebajados, lo que genera un ahorro en los costos de combustible. Las emulsiones asfálticas pueden ser aplicadas perfectamente a pavimentos húmedos, mientras que en los asfaltos rebajados, solo pueden ser aplicados en condiciones secas.

I.3 PRUEBAS FÍSICAS DE LABORATORIO DEL CEMENTO ASFÁLTICO Las pruebas físicas de laboratorio que se le practican a los cementos asfálticos, pueden ser agrupadas en 5 tipos:



4. Punto de reblandecimiento 5. Ductilidad b. Pruebas de durabilidad Los cementos asfálticos sufren un envejecimiento substancial a corto plazo (endurecimiento) cuando son mezclados con los agregados minerales calientes en una planta de mezclado. El envejecimiento a largo plazo, continúa durante la vida de los pavimentos de concreto asfáltico que, son expuestos a factores ambientales y de carga. Las siguientes dos pruebas se realizan generalmente para aproximar las condiciones de endurecimiento a corto plazo que ocurre en una planta de mezclado de concreto asfáltico: 1. Prueba de película delgada en horno. 2. Prueba de película delgada en horno rotatorio. c. Pruebas de pureza Los cementos asfálticos refinados, están compuestos en su mayoría por materiales bituminosos que, por definición, son completamente solubles en bisulfuro de carbono. Solamente una pequeña cantidad de impurezas, están generalmente presentes en cementos asfálticos refinados. Para determinar la



ocasionar que el cemento asfáltico haga espuma cuando se caliente a más de 100 °C.

d. Pruebas de seguridad Si se calienta el cemento asfáltico a una temperatura suficientemente alta, éste liberará vapores inflamables capaces de producir una llama en presencia de cualquier chispa o flama. El punto de inflamación indica la temperatura a la que el cemento asfáltico puede ser calentado sin peligro de que se produzca una llama. Esta temperatura está por debajo del punto de combustión, que es la temperatura a la que un material comienza a arder. Aunque el punto de inflamación está muy por debajo de las temperaturas de manejo y producción de mezclas de asfalto en caliente, es necesario medir y controlar tales temperaturas por razones de seguridad. La prueba se realiza generalmente con el método de la Copa Abierta de


Universidad Tecnológica Centroamericana G.e. =

densidad _ del _ mercurio densidad _ del _ agua

= 13.6

(1.1)

La gravedad específica (también se conoce como densidad relativa) no tiene unidades. En lenguaje común, dice “cuántas veces es más pesada una sustancia que el agua”. Más correctamente, cuántas veces es más densa. La gravedad específica del cemento asfáltico cambia cuando éste, se expande al calentarse. Es por esto, que la determinación de la gravedad específica es muy útil al hacer correcciones de volumentemperatura o para determinar el peso por unidad de volumen de cemento asfáltico calentado a su temperatura de aplicación. Para determinar la gravedad específica (Ge) del cemento asfáltico, se utiliza el método del picnómetro (ASTM B70). Debido a que la gravedad especifica varía con la temperatura, los resultados se expresan dando la temperatura del cemento asfáltico y el agua utilizada en la prueba. Por ejemplo: un Ge = 1.02 a 15.6°C/15.6°C,



refinamiento que se utilizan actualmente, la prueba spot no se exige en las normas. Esta prueba no puede ser aplicada a cementos asfálticos que han sido extraídos (recuperados) del concreto asfáltico.

I.4. PRUEBAS FÍSICAS DE LABORATORIO DE ASFALTOS REBAJADOS Las pruebas físicas de laboratorio que se le practican a los asfaltos rebajados son: a. Viscosidad Cinemática El ensayo de viscosidad cinemática se utiliza como base para clasificar los asfaltos rebajados en los grados RC, MC y SC. El procedimiento es similar al descrito para cementos asfálticos. La diferencia está en que se hace a 60ºC. Como alternativa se utiliza para determinar el estado de fluidez de los asfaltos a diferentes temperaturas, el viscosímetro Saybolt Furol. b. Destilación Como se indicó previamente los RC-MC y en algunos casos los SC son mezclas de cemento asfáltico y solvente. Las propiedades de estos materiales son de importancia en su aplicación y comportamiento. La destilación determina las proporciones relativas en que se encuentran



El destilado que evapora a diversas temperaturas es de poco interés en los SC. Es por esto que la prueba de destilación sólo se le practica a los asfaltos rebajados RC y MC. Los destilados que evaporan bajo la temperatura final, 360ºC, son de naturaleza aceitosa de modo que su velocidad de evaporación es muy lenta. Por lo tanto se mide la cantidad total drenado hasta 360ºC. En un SC el residuo de la destilación a 360ºC se considera representativo de la porción asfáltica. Su consistencia se determina en el ensayo de viscosidad cinemática. c. Punto de Inflamación El objetivo y significado del ensayo de punto de inflamación son los mismos que los ya vistos para el cemento asfáltico. En los materiales SC se usa la copa abierta de Cleveland; para los RC y MC, el ensayo es sustancialmente el mismo salvo que se usa calor indirecto por la naturaleza volátil de los diluyentes. Se realiza con la copa abierta de Tag, en donde el vaso, es de vidrio y no de metal y se calienta en un baño de agua y no a llama directa.

I.5. AGREGADOS DEL CONCRETO ASFÁLTICO



La tabla 1.1 resume las diferentes propiedades que un agregado debe poseer para cumplir con todas las funciones que debe desempeñar en las mezclas de asfalto en caliente o concreto asfáltico. Las especificaciones para agregados gruesos, fillers minerales se pueden encontrar en las normas ASTM D-692, D-1073 y D-242 respectivamente. La ventaja de si utilizar un tipo de agregado u otro en el concreto asfáltico se determina evaluando las siguientes características de los minerales: a. Tamaño y graduación b. Materiales limpios/dañinos c. Dureza y resistencia d. Durabilidad e. Textura de la superficie f. Forma de la partícula g. Absorción h. Afinidad con el asfalto I.5.1 Dureza y Resistencia



Tabla 1.1 Resumen de las propiedades del agregado que cumplan con las funciones del sistema de la mezcla. Importancia de la Función

Propiedad del Agregado

Propiedad en el Concreto Asfáltico I

Adecuada resistencia interna y estabilidad

1. Estabilidad de la masa

para distribuir las presiones superficiales

2. Resistencia de la partícula

I

y prever deflexiones excesivas en la

3. Rigidez de la partícula

I

superficie.

4. Textura de la superficie de la partícula.

I

5. Forma de la partícula

I

6. Graduación

I

7. Tamaño máximo de la partícula 1. Resistencia al ataque de

I

Resistencia a los efectos de desgaste ocasionado por químicos y el clima.

químicos

D

2. Solubilidad

D

3. Slaking

I

4. Resistencia al mojado y secado

D

5. Resistencia al congelamiento y

Resistencia al deterioro debido a la aplicación de cargas.

descongelamiento

D

6. Estructura del poro

I

1. Resistencia a la degradación.

I

Manual de laboratorio de asfaltos resistencia a la fricción.


2. Textura de la superficie de la I

partícula.

3. Tamaño

máximo

de

los

agregados

4. Resistencia de la partícula. 5. Resistencia al desgaste

6. Forma de partículas desgastadas

I I I I I

7. Estructura de poro

b. Características de aspereza de superficie aceptables.

c. Minimización de la reflectividad de la luz.

d. Prevención de las pérdidas de material.

e. Minimización del desgaste de los neumáticos.

I 1. Tamaño máximo de partícula

I

2. Graduación I 1. Reflectividad I 1. Resistencia a la degradación

I

2. Gravedad especifica I 1. Forma de la partícula 2. Textura de la superficie de la partícula 3. Tamaño máximo de partícula

I I



I.5.2 Durabilidad Los agregados deben ser resistentes a la desintegración y descomposición debido a la acción del congelamiento-descongelamiento y mojado-secado. La prueba de solidez (ASTM C88) es un ensayo empírico que pretende proveer un indicativo de la durabilidad. I.5.3 Forma de las Partículas y Textura de la Superficie. Las partículas de agregados que conviene utilizar en el concreto asfáltico deben ser de preferencia de forma cúbica que planas, delgadas o alargadas. En mezclas compactadas las partículas de forma angulosa presentan una mejor interacción y fricción interna que trae como resultado una mejoría en la estabilidad mecánica que las partículas de forma redonda. Por otra parte, las mezclas que contienen partículas de forma redonda como ser gravas naturales y arenas, tienen una mejor trabajabilidad y requieren menos esfuerzo de compactación para obtener la densidad requerida. La textura de la superficie así como también la forma de la partícula influyen en



asfáltico. El lavado de los agregados puede reducir la cantidad de materiales no deseables a un nivel aceptable. Estos materiales incluyen: vegetación, partículas suaves, trozos de arcilla, capas de arcilla en las partículas del agregado y algunas veces el exceso de polvo que se produce durante la trituración. Además de la simple inspección visual, las siguientes pruebas pueden ser utilizadas para identificar y medir la cantidad de materiales nocivos: I.5.4.1. Prueba de Equivalente de Arena La prueba de equivalente de arena (ASTM D-2419) se utiliza para determinar las proporciones relativas de material fino plástico y polvo en los agregados finos. En esta prueba, 85 mL de agregado que pasa el tamiz No. 4 se agita en un cilindro transparente (32mm de diámetro interno, 400 mm de altura y graduado desde el fondo hasta arriba) que se llena con una mezcla de agua y un agente floculante. Después de agitarlo y de 20 minutos de reposo, las arenas se separan de la arcilla floculada y las cantidades de arcilla y arena se miden dentro del cilindro. El equivalente de arena es la razón entre la altura de la arena y la altura de la arcilla por cien. Agregados más limpios tendrán un valor de equivalente de arena más alt

Las

cificaci

gado

ret asfáltic



I.5.5 Tamaño y Graduación I.5.5.1 Curvas Granulométricas Deseadas La granulometría de los agregados es la distribución de los tamaños de las partículas expresadas como un porcentaje del peso total. La granulometría de los agregados es determinada por el tamizado. Los tamices que se usan normalmente para el análisis granulométrico del concreto asfáltico son: 2”, 1.5”, 1”, ¾”, ½”, 3/8”, No. 4, No. 8, No. 16, No. 30, No.50, No.100, y No.200. La granulometría (graduación) es probablemente la propiedad más importante de un agregado. Las propiedades más importantes del concreto asfáltico se ven afectadas en su mayoría por esta propiedad que incluyen rigidez, estabilidad, durabilidad, permeabilidad, trabajabilidad, resistencia a la fatiga, resistencia a la fricción y resistencia a los efectos de humedad. Debido a esto, la graduación es una consideración primaria en el diseño de mezclas de asfaltos. En teoría seria aceptable pensar que la mejor graduación para el concreto


Universidad Tecnológica Centroamericana n

 d  P =    D 

(1.2)

Donde d es el diámetro de la abertura del tamiz en cuestión, P es el porcentaje total que pasa el tamiz y D es el tamaño máximo del agregado. Los estudios realizados por Fuller y Thompson mostraron que la máxima densidad para un agregado puede ser obtenida cuando n = 0.5. A principios de los años 60, la Administración Federal de Autopistas de EE.UU. introdujo un cuadro de graduación del agregado basado en los estudios de Fuller, pero utilizando un valor de n =0.45. Este cuadro es muy útil para determinar la línea de densidad máxima y ajustar la graduación de los agregados. Cabe recalcar que las graduaciones que produzcan densidad máxima pueden no proveer suficientes vacíos en el concreto asfáltico que permitan una mayor durabilidad sin que se produzca segregación del asfalto. Por esta razón, es necesario alejarse un poco de las curvas de densidad máxima con el propósito de incrementar los vacíos en el agregado mineral. I.5.5.2 Tamaño del Agregado El tamaño máximo del agregado en una mezcla debe ser tomado en



Las especificaciones para la graduación de agregados de cementos asfálticos, han sido desarrolladas a través de la experiencia en el campo. En muchos casos han sido establecidas por medio de prueba y error. La mayoría de las especificaciones para concretos asfálticos, exigen una graduación densa para los agregados, con la mitad de la porción de las curvas aproximadamente paralelas a las curvas de densidad máxima. La tabla 1.2 muestra las graduaciones límites recomendadas por la ASTM D3515, y la tabla 1.3 muestra las tolerancias. I.5.5.4. Mezcla de Agregados para Cumplir con las Especificaciones Por varias razones (Ej. alcanzar la densidad máxima y dejar una cantidad de vacíos aceptable) es necesario mezclar dos o más agregados de diferente graduación. Difícilmente se encontrará un solo agregado de formación natural que cumpla con las especificaciones. Además, es mucho más económico combinar agregados naturales con procesados para lograr las exigencias de la norma. Un gran número de métodos han sido desarrollados desde que se propusiero las

de densidad máxima. Sin import el número de



Tabla 1.2. ASTM D-3515 Especificaciones de graduación para mezclas densas. Tamiz

2 ½” 2” 1 ½” 1” ¾” ½” 3/8” No. 4 No. 8 No. 16 No. 30 No. 50 No. 100 No. 200

2”

Mezclas Densas Designación de la mezcla y tamaño máximo nominal del agregado 1 ½” 1” ¾” ½” 3/8” No 4 No. 8

No. 16

50 mm

37.5 mm

25.0 mm

19.0 mm

12.5 mm

9.5 mm

4.75 mm

2.36 mm

1.18 mm

100 90 a 100 60 a 80 35 a 65 17 a 47 10 a 36 3 a 15 0a5

100 90 a 100 56 a 80 23 a 53 15 a 41 4 a 16 0a6

100 90 a 100 56 a 80 29 a 59 19 a 45 5 a 17 1a7

100 90 a 100 56 a 80 35 a 65 23 a 49 5 a 19 2a8

100 90 a 100 44 a 74 28 a 58 5 a 21 2 a 10

100 90 a 100 55 a 85 32 a 67 7 a 23 2 a 10

100 80 a 100 65 a 100 40 a 80 25 a 65 7 a 40 3 a 20 2 a 10

-

100 95 a 100 85 a 100 70 a 95 45 a 75 20 a 40 9 a 20

Tabla 1.3. ASTM D-3515 Tolerancias para graduaciones. Tamiz ½” (12.5 mm) y mayores 3/8” (9.5 mm) No. 4 (4.75 mm) No. 8 (2.36 mm) No. 16 (1.18 mm)

Tolerancias, % ± 8 ± 7 ± 7 ± 6 ± 6



a, b, c,…: son proporciones (porcentajes) de los agregados A, B, C, que se utilizan en la mezcla. a + b + c +… = 1.0 Es recomendable, sin importar el método a utilizar, que se grafiquen las curvas granulométricas de los agregados que se mezclarán y los límites de las especificaciones antes de proceder a hacer la combinación. Con estos gráficos, pueden tomar decisiones previas a cualquier cálculo, como por ejemplo: 1. Si existe una combinación que pueda cumplir con las especificaciones. 2. El número de tamiz crítico. 3. Una aproximación de las proporciones de prueba. De la figura 1.2, se puede deducir lo siguiente: 1. La curva de graduación para todas las posibles combinaciones de los agregados A y B caen entre las curvas A y B. Es imposible combinar los agregados C y B para cumplir con las especificaciones, sin importar el método que se utilice para hacer la mezcla de agregados.



porcentaje que pasa cada tamiz en la combinación. Se hacen ajustes para la siguiente combinación y se repiten los cálculos para los tamices críticos hasta que se obtenga una mezcla satisfactoria u óptima.

Figura 1.2. Banda envolvente de especificaciones.

El método de prueba y error se puede resumir como sigue: 1. Seleccionar los tamices críticos para los agregados que serán combinados.



Ejemplo 1.1. Determinar una combinación de dos agregados (ver tabla 1.4) que cumplirán con las especificaciones dadas en la tabla, utilizando el método de prueba y error). Examinando la tabla, se puede observar que es posible encontrar una

combinación

que

caiga

entre

los

límites

de

las

especificaciones. Debido a la distancia relativa que hay entre las curvas y la banda central, posiblemente una combinación 50-50 logre el objetivo. La primera combinación de prueba puede ser determinada más inteligentemente si ciertos tamices críticos son escogidos. Por inspección de las curvas granulométricas, se puede observar que todo el material retenido en el tamiz de 3/8” (100 – 80 = 20% deseado), tiene que venir del agregado A, y todo el material mas fino que el tamiz No.30 debe ser suministrado por el agregado B. Con respecto al agregado A, debido a que 41% (100% -59%) es retenido en el tamiz de 3/8”, el porcentaje requerido de A para retener el 20% en este tamiz (media de la especificación) es: 20


Universidad Tecnológica Centroamericana Para la primera prueba se utilizara entonces, 50% de agregado A y 50% de agregado B. Tamaño del Agregado

Agregado

Porcentaje usado

A B 50% de A 50% de B Combinación Deseado Especificación

100 100 50 50 100 100

¾”

½”

3/8”

No.4

No.8

No.30

No.50

No.100

No.200

100 100 50 50 100 100 100

90 100 45 50 95 90 80-100

59 100 29.5 50 79.5 80 70-90

16 96 8 48 56 60 50-70

3 82 1.5 41 42.5 43 35-50

0 51 0 25.5 25.5 24 18-29

0 36 0 18 18 18 13-23

0 21 0 10.5 10.5 12 8-16

0 9 0 4.5 4.5 7 4-10

Tabla 1.4. Combinación de 2 agregados.

Observamos que la combinación es aceptable, ya que se aproxima a los valores deseados (los valores deseados mostrados en la tabla 1.4, corresponden al valor medio de los rangos que las especificaciones sugieren para obtener mezclas de alta densidad. Por ejemplo, para el tamiz No.4 el valor deseado es

35 + 50 = 42.5 ≈ 43 ). 2 Los agregados deben almacenarse por separado. Es decir, cada



I.7 DISEÑO DE PAVIMENTOS DE CONCRETO ASFÁLTICO Los métodos utilizados en EE.UU. para el diseño de pavimentos de concreto asfáltico son: a. Método Hveem b. Método Marshall c. Método Superpave El método Hveem fue desarrollado a finales de la segunda década del siglo pasado. Durante 30 años sufrió modificaciones hasta alcanzar el procedimiento que hoy se conoce y utiliza. El método Marshall comenzó a desarrollarse alrededor de 1939 por Bruce Marshall quien laboraba en Departamento de Autopistas del estado de Mississippi, y al igual que el método Hveem, el método Marshall fue modificado a medida que las cargas en caminos para tráfico vehicular y principalmente en los aeropuertos aumentaba. Para 1984, el método Marshall era el método mas utilizado en los Estados Unidos para el diseño de pavimentos de concreto asfáltico. Durante muchos años los métodos Hveem y Marshall respondieron muy bien a las exigencias de la época. Pero a principios de los años 80, ya las cargas en aeropuertos y carreteras habían incrementado considerablemente, por lo que surgió la necesidad de utilizar otro método de diseño de pavimentos de concreto asfáltico. Este método debía



CAP Í TULO II PRUEBA DE VISCOSIDAD CINEMÁTICA II.1. INTRODUCCIÓN La prueba de viscosidad cinemática para cementos asfálticos, se lleva a cabo a una temperatura de 135°C y conforme a las normas ASTM D-2170. A esta temperatura, el cemento asfáltico fluye fácilmente por acción de la gravedad a través de un tubo (viscosímetro). Dicha temperatura es utilizada, ya que se aproxima a las temperaturas que alcanzan las capas inferiores de las mezclas para pavimentos de concreto asfáltico. El cemento asfáltico se vierte en la abertura más grande del viscosímetro hasta que alcance la línea de llenado. Luego se coloca el viscosímetro en un baño de aceite transparente para obtener un equilibrio en la temperatura. Una pequeña succión de aire es aplicada a la abertura pequeña (también se le puede aplicar presión de aire en la abertura grande) para inducir el flujo del cemento asfáltico a través de una sección del tubo justo arriba de la línea de llenado. Luego, por fuerzas gravitacionales, el cemento asfáltico fluye hacia abajo. Se mide el tiempo (en segundos) que tarda el cemento



II.3. EQUIPO a. Viscosímetros, tipo capilar, hecho de vidrio. b. Termómetro calibrado con una aproximación de 0.02°C. c. Baño adecuado para sumergir los viscosímetros. Debe estar provisto de soportes firmes para los viscosímetros o bien, que los viscosímetros sean parte integral del aparato para baño. El equipo debe tener la capacidad de mantener una temperatura constante de 135 y 60 °C con valores de ± 0.03°C a lo largo de todo el viscosímetro. La variación entre cada uno de los viscosímetro no debe exceder ±0.03°C. Véase la figura2.1. d. Cronómetro con divisiones de 0.1 segundos o menos con variaciones no mayores de 0.05% cuando se midan intervalos no menores a 15 minutos.



a. Dejar que las muestras selladas alcancen la temperatura del lugar donde se vaya a realizar las pruebas. b. Abrir el frasco que contiene la muestra y moverla (revolverla) por 30 segundos teniendo el cuidado de no dejar aire atrapado. Si la muestra es demasiado viscosa como para moverla, colocarla en un frasco totalmente sellado y ponerla en un baño u horno a una temperatura de 63 ± 3°C hasta que esté suficientemente liquida como para revolverla. c. Llenar el viscosímetro inmediatamente con 20 mL de la muestra. Si la prueba va a ser practicada en otro momento, verter 20 mL de la muestra dentro de un contenedor seco, con capacidad de aproximadamente 30 mL y sellar el recipiente completamente. II.4.2. Para Cementos Asfálticos a. Calentar la muestra hasta que esté suficientemente liquida como para ser vertida en el viscosímetro. Revolverla de vez en cuando para lograr una temperatura homogénea. b. Transferir un mínimo de 20 mL a un recipiente y caliente la muestra a 135 ± 5.5 °C. Al igual que en el inciso anterior, revuelva la muestra para prevenir calentamientos locales.



60 segundos, seleccionar un viscosímetro de menor diámetro interno y repetir la operación. g. Limpiar el viscosímetro varias veces con un solvente apropiado para la muestra. Luego limpiarlo con una solución completamente volátil. Secar el tubo pasando una corriente de aire filtrado y seco a través del interior del tubo por 2 minutos, o hasta que no quede ningún rastro del solvente. Limpiar periódicamente con una solución limpiadora ácida fuerte para remover depósitos orgánicos. Lavar con agua destilada y acetonas libre de residuos. Secar con aire filtrado y seco.

II.6. CÁLCULOS Calcular la viscosidad cinemática con 1 cifra decimal: Viscosidad cinemática, cSt = C×t Donde: C es la constante de calibración del viscosímetro, cSt, y t es el tiempo de flujo en segundos.



II.8. TABLA DE DATOS

Muestra

Temperatura en

Tiempo de flujo

Constante del

grados °C

en seg.

viscosímetro

Viscosidad

A

B

II.9. CORRESPONDENCIA CON OTRAS NORMAS ASTM Standards: D-92

Método de prueba para el punto de inflamación y combustión de la Copa Abierta de Cleveland.

D-341

Tabla de viscosidad-temperatura para productos líquidos del petróleo.

D-445

Método de prueba para viscosidad cinemática de líquidos transparentes y



CAP Í TULO III PRUEBA DE PENETRACIÓN III.1. INTRODUCCIÓN Este ensayo es una medida empírica que determina la consistencia de los cementos asfálticos mediante la penetración vertical de una aguja en una muestra de dicho material bajo condiciones establecidas de peso, tiempo y temperatura (véase figura 3.1). La prueba se realiza según las especificaciones ASTM D-5. La profundidad a la que penetra la aguja se mide en décimos de milímetro. Por ejemplo, si la aguja penetra 8mm, entonces el valor de penetración del cemento asfáltico que se debe reportar es 80.



Figura 3.2. Penetración en función del tiempo.

La necesidad de En 1888, H.C. Bowen inventó la Maquina de Penetración Bowen, que determinaba la consistencia del asfalto. Alrededor del 1910, y después de varias modificaciones, el penetrómetro se convirtió en la principal forma de medición de la consistencia del asfalto. Y en 1918 la Oficina de Caminos Públicos introdujo el sistema



40-50

Grado de Penetración 60-70 85-100 Min Max Min Max 60 70 85 100

120-150 Min Max 120 150

200-300 Min Max 200 300

Penetración a 25°C, 100g, 5

Min 40

Max 50

seg. Punto de inflamación Ductilidad a 25°C, 5

450 100

-

450 100

-

450 100

-

425 100

-

350 100

-

cm/min, cm Solubilidad en tricloruro de

99.0

-

99.0

-

99.0

-

99.0

-

99.0

-

etileno, % Penetración después de la

55+

-

52+

-

47+

-

42+

-

37+

-

-

-

50

-

75

-

100

-

100+

-

prueba de película delgada Ductilidad a 25°C, 5 cm/min después de la prueba de película delgada, cm

Tabla 3.1. Requerimientos para determinar el grado del cemento asfáltico.

III.2. OBJETIVOS

• Determinar la consistencia y grado del cemento asfáltico



III.3. EQUIPO a. Aparato de penetración o penetrómetro para asfaltos, adaptado para sujetar una aguja y provisto de un dispositivo para medir la profundidad de penetración de dicha aguja en décimos de milímetro. También cuenta con un mecanismo que permite aproximar la aguja a la muestra y pesas de 50 y 100 gramos.

Figura 3.3. Aparato de penetración

b. Aguja de acero inoxidable totalmente endurecida y perfectamente pulida con la forma y dimensiones mostradas en la figura 3.4, montada en un casquillo de bronce o



c. Cápsula metálica o de vidrio refractario, de forma cilíndrica, con fondo plano, y diámetro interior según la siguiente tabla: d. Penetración Menor de 200 Entre 200 y 350

Diámetro(mm) 55 55

Profundidad interna(mm) 35 70

Tabla 3.2. Dimensiones de la cápsula

e. Baño de agua con capacidad de mantener una temperatura de 25°C y aproximación de 0.1°C, con dimensiones y características que le permitan una capacidad de al menos 10 litros. Estará provisto de un entrepaño perforado, colocado a no menos de 5 cm del fondo del baño y no menos de 10 cm de la superficie del líquido. Se recomienda utilizar agua destilada para el baño. Evitar contaminantes químicos en el agua ya que la presencia de tales sustancias puede alterar los valores de penetración obtenidos. f. Recipientes cilíndricos de metal, plástico o vidrio, de forma adecuada para transferir y mantener sumergidos los recipientes que contienen la muestra, con capacidad de al menos 350 mL y provisto de dispositivos para fijar convenientemente los recipientes que contienen las muestras.



III.4. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA a. Calentar la muestra de asfalto cuidadosamente, agitándola cuando sea posible para distribuir la temperatura uniformemente, hasta que adquiera una fluidez que facilite el vaciado en el molde de prueba. En ningún caso, la temperatura debe exceder 60°C arriba del punto de emblandecimiento y la muestra no debe ser calentada por más de 30 minutos. Evitar la incorporación de burbujas de aire en la muestra. b. Verter la muestra en la cápsula hasta una altura tal que, al enfriarse a la temperatura de prueba, la profundidad de la muestra sea de al menos 10 mm mayor que la profundidad a la que se espera que la aguja penetre. c. Cubrir las cápsulas para proteger las muestras del polvo (se recomienda utilizar un beaker colocándolo boca abajo), y dejar que se enfríe la muestra a temperatura ambiente (entre 15°C y 30°C) por una hora a una hora y media para cápsulas pequeñas y de hora y media a dos horas para cápsulas mas grandes. d. Colocar las dos muestras en el baño de agua, a la temperatura definida anteriormente para realizar la prueba. Mantener la cápsula pequeña de 1 hora a 1½ hora y la cápsula de 6 onzas, en caso de utilizarse, de 1½ hora a 2 horas.



III.5. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO a. Examinar la aguja y determinar si esta completamente limpia, libre de agua o de cualquier sustancia extraña. En todo caso, limpiar la aguja con tolueno o cualquier otro solvente y un paño limpio. De ser necesario, colocar la pesa de 50 gramos sobre la aguja para hacer un total de 100 ±0.1 gramos. b. Colocar el recipiente que contiene las muestras directamente sobre la base del penetrómetro cuidando de mantener las muestras completamente sumergidas en el agua del baño que se encuentra a una temperatura constante de 25°C. c. Ajustar la aguja a la altura de la muestra hasta que la punta de la misma haga contacto con la superficie de la muestra. d. Hacer coincidir las manecillas del penetrómetro con el cero de su carátula. e. Rápidamente liberara la aguja oprimiendo el botón que lo sujeta durante 5 segundos. f. Tomar nota de la lectura en décimos de milímetros o grados de penetración. g. Hacer por lo menos tres penetraciones en la misma muestra, teniendo el cuidado de hacer cada penetración con 10 milímetros de separación entre cada una de ellas y entre la pared del recipiente. De ser necesario regresar las muestras al recipiente con agua a temperatura constante de 25°. No olvidar que la aguja debe ser limpiada cuidadosamente después de cada penetración con un paño humedecido de tetracloruro de carbono de ser posible, y después con un paño seco.


Penetración (en décimos de mm) 0 - 49 50 - 149 150 - 249 250 o más


Diferencia permisible entre los valores de las penetraciones consideradas (Décimos de mm). 2 4 6 8

Tabla 3.3. Diferencias permisibles entre valores de penetración.

III.6. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES Las causas mas frecuentes de error en esta prueba son las siguientes: a. Que no se cumplan con los requisitos de temperatura y tiempo de penetración. b. Presencia de burbujas de aire en la muestra. c. Mala limpieza de la aguja. d. Que la aguja no esté en contacto con la superficie de la muestra al iniciar la prueba de penetración. e. Contacto de la aguja con el fondo del recipiente antes de finalizar los 5 segundos que dura la prueba.



III.7. TABLA DE DATOS Número de

Penetración #1

Penetración #2

Penetración #3

Promedio

muestra

(décimos mm)

(décimos mm)

(décimos mm)

(décimos mm)



III.8. CORRESPONDENCIA CON OTRAS NORMAS a. ASTM Standards: D-36

Método para determinar el punto de emblandecimiento.

E-1

Especificaciones para termómetros ASTM.

E-77

Método de prueba para la inspección y verificación de termómetros liquido-en-vidrio.

b. ANSI Standard: B46.1

Texturas de superficies.

c. ISO Standard: ISO Standard 486; Parámetros para Superficies Rugosas, Sus Valores y Reglas Generales para Especificar Requerimientos



CAP Í TULO IV PRUEBA DE DUCTILIDAD IV.1. INTRODUCCIÓN El ensayo de ductilidad, se lleva a cabo según la norma ASTM D-113 y mide la distancia en centímetros, que se estirará una briqueta (ver figura 4.1), estándar de cemento asfáltico antes de romperse. El área de la sección transversal de la briqueta en su zona mas angosta es de 1.00 cm2 como se muestra en la figura 4.2.

Figura 4.1. Briqueta de asfalto para prueba de ductilidad.

La prueba se lleva a cabo en un baño de agua a una temperatura constante de 25°C. Los extremos de la muestra se separarán a una velocidad de 5 cm/min hasta que se divida totalmente la briqueta en dos partes.



El uso de la prueba de ductilidad como un método de control de calidad del cemento asfáltico, ha sido objeto de discusiones, ya que además de su naturaleza empírica, su pobre reproducción de la realidad hace difícil decidir qué propiedad del material se esta midiendo exactamente. Welborn et al. (1966) y Kandhal (1977) reportaron evidencias de una buena correlación entre la ductilidad y susceptibilidad a los esfuerzos cortantes para varios tipos de cementos asfálticos en temperaturas de 7 a 16°C. Varios estudios han relacionado la ductilidad del cemento asfáltico con el rendimiento del pavimento. Doyle (1958) midió la ductilidad a 13°C y reportó extensos agrietamientos en el pavimento cuando la ductilidad caía por debajo de los 5 cm. Halstead (1963) demostró que los pavimentos que contenían cemento asfáltico con valores de penetración considerados como satisfactorios3 pero con bajas ductilidades, son más propensos a mostrar un bajo rendimiento, en contraste con los pavimentos conteniendo cementos asfálticos con valores de penetración similares pero con valores de ductilidad mayores. En el proyecto de Zaca-Wigmore, Haveem et al. (1963), aportaron evidencias de que la ductilidad del cemento asfáltico obtenido del pavimento durante su vida en servicio, es un método importante para determinar el rendimiento del pavimento. Los resultados del ensayo de ductilidad para asfaltos no satisfactorios, fueron muy bajos.



IV.3. EQUIPO a. Molde con las dimensiones mostradas en la figura 4.3. El molde deberá estar hecho de bronce, provisto de las partes b-b’ conocidas como clips o mordazas y las partes a-a’ conocidas como lados o laterales.

Figura 4.3. Medidas en milímetros del molde de briqueta

b. Baño de agua, que deberá mantenerse a una temperatura constante de 25°C con variaciones permisibles no mayores de 0.1°C. El volumen de agua no deberá ser



IV.4. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA a. Se prepara los dos (2) elementos laterales del molde y las placas de apoyo de las briquetas para evitar que se les adhiera el asfalto, aplicándoles con un paño una mezcla formada por tres (3) partes del ácido clorhídrico o nítrico y una (1) parte de mercurio o bien, talco o caolín, hecho lo anterior se coloca el molde sobre su placa de apoyo y se ajusta dejándolo en posición horizontal. b. Se calienta lo indispensable para que adquiera la fluidez suficiente y se facilite su vaciado; se pasa a través de la malla Num. 0.300, después de lo cual se agita perfectamente y se vacía cuidadosamente en el molde formando un chorro delgado que se mueve de adelante hacia atrás y de un extremo a otro del molde, hasta rebasar ligeramente el nivel de enrase, evitando la formación de burbujas. c. A continuaron, se deja enfriar el molde conteniendo el material asfáltico y colocado sobre la placa de apoyo, a la temperatura ambiente durante 30 a 40 minutos, después de lo cual se coloca en el baño de agua a la temperatura 25±0.5°C durante 30 minutos; transcurrido este tiempo se saca del baño el molde sobre la placa de apoyo, y se enrasa cortando el exceso de este con un cuchillo o espátula de borde recto previamente calentado para facilitar el corte. d. El molde sobre la placa de latón y conteniendo la briqueta se vuelven a calentar en el



IV.5. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO a. Se pone en marcha el mecanismo de prueba a la velocidad de cinco (5) centímetros por minuto, con una variación de ±5%, hasta producir la ruptura de la briqueta; en este momento se lee el desplazamiento de la mordaza y se registra en centímetros. b. Se reporta como ductilidad del cemento asfáltico, la longitud en centímetros que se desplazo la mordaza para lograr la ruptura de la briqueta.



IV.6. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES. Las causas más frecuentes de error en esta prueba son: a. Que existan burbujas de aire dentro de la briqueta. b. Que al retirarse la briqueta, ésta toque el fondo del tanque del ductilómetro o la superficie del agua; en este caso se repetirá la prueba agregándole al agua del tanque sal común para aumentar su densidad o alcohol metílico para disminuirla y lograr que la probeta al ser estirada se mantenga en posición sensiblemente horizontal.

IV.7. TABLA DE DATOS Muestra

A

B

Velocidad, cm/min

Temperatura °C

Distancia de estiramiento, cm



IV.8. CORRESPONDENCIA CON OTRAS NORMAS ASTM Standards: D-5

Método de prueba para la penetración de materiales bituminosos.

D-1754

Método de prueba para los efectos que producen el calor y el aire en materiales asfálticos (prueba de una película delgada)

D-2872

Método de prueba para los efectos que producen el calor y el aire en una película de asfalto en movimiento.

E-1

Especificación ASTM para termómetros.

E-11

Especificaciones de tamices para propósitos de prueba



CAP Í TULO V PUNTO DE INFLAMACI ÓN V.1. INTRODUCCIÓN Si se calienta el cemento asfáltico a una temperatura suficientemente alta, éste liberará vapores inflamables capaces de producir una llama en presencia de cualquier chispa o flama. El punto de inflamación indica la temperatura a la que el cemento asfáltico puede ser calentado sin peligro de que se produzca una llama. Esta temperatura está por debajo del punto de combustión, que es la temperatura a la que un material comienza a arder. Aunque el punto de inflamación está muy por debajo de las temperaturas de manejo y producción de mezclas de asfalto en caliente, es necesario medir y controlar tales temperaturas por razones de seguridad. La prueba se realiza generalmente con el método de la Copa Abierta de Cleveland (ASTM D-92). Una copa de bronce parcialmente llena con cemento asfáltico, se calienta



V.3. EQUIPO a. Copa abierta de Cleveland. Este aparato consiste en una copa de bronce, una parrilla eléctrica, quemador de gas o lámpara de alcohol con capacidad de controlar la aplicación del calor, protegiendo la llama de corrientes de aire en caso de utilizar las dos ultimas (ver figura 8.1). b. Termómetro de 25 mm, con un rango de temperatura de -6 a 400°C y aproximaciones de 2°C y conforme a las normas ASTM E-1. c. Aplicador de flama con dimensiones aproximadas de 1.6 mm de diámetro en el extremo de salida y orificio de 0.8 mm de diámetro, acoplado al soporte de tal forma que le permita girar en un plano horizontal que diste 2 mm como máximo del borde superior de la copa Cleveland.



V.5. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO a. Encender el aplicador de flama y ajustarla para que éste tenga un diámetro de 3 a 5 mm aproximadamente. Esto se puede verificar comparando con la esfera de referencia instalada en la placa de apoyo de la copa. b. Aplicar calor al espécimen de manera que su temperatura aumente a razón de 14 a 17 ˚C por minuto hasta que el cemento asfáltico alcance una temperatura aproximada de 60˚C debajo del punto de inflamación probable. Luego reducir gradualmente el calor aplicado a la copa de manera que al llegar la muestra a 30˚C abajo del punto de inflamación probable, el incremento de temperatura sea 5 a 6˚C por minuto. c. Cuando la temperatura del espécimen esté a 30˚C abajo del punto de inflamación probable, se iniciará la aplicación de la flama pasándola de lado a lado de la copa, sobre el centro de la misma y con un movimiento circular uniforme de manera que la duración del paso de la flama sobre la copa sea de 1 segundo aproximadamente y que el aplacador gire lo suficiente hasta formar un Angulo recto con el diámetro de la copa que pasa por el eje del termómetro. El centro de la flama se moverá en un plano situado a no más de 2 mm arriba del borde superior de la copa. La flama se aplicara cada vez que la temperatura de la muestra de prueba se eleve 2˚C. d. Registrar como punto de inflamación t1, en grados centígrados con aproximación de un grado centígrado (1˚C), la temperatura leída en el termómetro cuando al pasar el



V.6. CÁLCULOS a. Si la presión barométrica del lugar en que se efectúa la prueba es diferente de 760 mm de Hg, se corrigen las temperaturas t1 y t2 aplicando la siguiente fórmula: t = t’ + 0.03 (760 – P) Donde: t

es la temperatura corregida por presión barométrica, en grados centígrados

t’ el la temperatura registrada durante la prueba y que fue designada como t1 y t2, en grados centígrados. P es la presión barométrica del lugar en que se efectúa la prueba en milímetros de mercurio. V.7. TABLA DE DATOS

Observada Temperatura del punto de inflamación

Corregida



V.8. CORRESPONDENCIA CON OTRAS NORMAS E-1

Especificación ASTM para termómetros.



CAPÍTULO VI PRUEBA DE DESTILACIÓN VI.1. INTRODUCCIÓN Esta prueba determinar el contenido de disolvente que tienen los asfaltos rebajados de curado rápido y medio, así como también las proporciones del residuo asfáltico existentes en el producto. El procedimiento consiste esencialmente en efectuar la destilación de una muestra de asfalto rebajado, hasta una temperatura de 360˚C y registrar volúmenes del producto destilado. Al residuo asfáltico se le realizan otras pruebas (penetración, ductilidad y pruebas de pureza) que ayudan a su identificación.

VI.2. OBJETIVOS

• Determinar la cantidad de diluyente que contiene la muestra de asfalto rebajado.



VI.3. EQUIPO El equipo y materiales necesarios para efectuar esta prueba son los siguientes: a. Matraz de vidrio para destilación, de 500cm3 de capacidad, con salida lateral y provista de un tapón de corcho con una perforación paralela a su eje para insertar el termómetro. b. Camisa para el matraz de destilación, de acero galvanizado, recubierta con una tapa de asbesto de 3 mm de espesor, provisto de ventanas protegidas con mica y de una tapa formada por 2 secciones de asbesto o de lámina de acero galvanizado recubierta con asbesto. c. Condensador de vidrio de tubo recto provisto de camisa, de 250 mm de longitud, como mínimo, para refrigeración por agua. d. Extensión de vidrio con pared de 1mm de grueso y refuerzo en la sección de entrada, que forme un ángulo de 105° aproximadamente, entre sus ramas de entrada y salida; sus diámetros de entrada y salida, serán aproximadamente de 18mm y 5mm, respectivamente. e. Probeta graduada de100cm3 de capacidad, con graduaciones a cada centímetro cúbico; su altura estará comprendida entre 24.8 y 26.0 centímetros o bien, en caso de que el volumen total destilado sea pequeño, pueden utilizarse probetas graduadas de menor capacidad con divisiones de 0.1cm3



VI.4. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA a. De una muestra de asfalto rebajado, se toma una porción de 500cm3 aproximadamente, para la cual previamente

se homogeneiza dicha muestra,

calentándola ligeramente en caso necesario.

VI.5. PROCEDIMIENTO DE LABORATORIO La prueba se efectuara de la siguiente manera: a. Colocar el matraz de destilación y la camisa, sobre las dos mallas metálicas Num.0.850, las que a su vez estarán una sobre otra y apoyadas en un anillo metálico sujeto a un soporte, instalar el condensador y acoplar el matraz utilizando una junta de corcho que ajuste perfectamente; conectar al refrigerante las mangueras de entrada y salida del agua. b. Insertar en el matraz el tapón de corcho con el termómetro, ajustando ambos de manera que el bulbo a 6.5mm del fondo del matraz y su eje coincida con el del termómetro, quedando ambos en posición vertical. c. Conectar al extremo de la salida del condensador la extensión de vidrio que conduce el destilado a la probeta graduada y se tapa ésta con un papel secante que tenga una perforación de la forma y dimensiones adecuadas para que ajuste en la extensión. Si



e. De la porción mencionada en el inciso (a) de la sección 6.4, se pesa en el matraz de destilación la cantidad de producto correspondiente a un volumen de 200cm3, calculado a partir de la densidad que tenga el material asfáltico a una temperatura de 15.5°C. f. Se hace circular agua fría en el condensador y se aplica calor al matraz, de manera que la primera gota de destilado caiga en el extremo del tubo del condensador, en un lapso de 5 a 15 minutos después de iniciada la aplicación del calor, la temperatura a que esto ocurre se registrara con aproximación de 0.5°C. g. Se continúa la destilación de tal forma que escurra por el extremo de la extensión de vidrio, de 50 a 70 gotas de destilado por minuto, hasta 260°C de 20 a 70 gotas por minuto, entre 260 a 315°C. El periodo de destilación entre las temperaturas de 315 a 360°C, no excederá de 10 minutos. Estas temperaturas son nominales, las cuales previamente se corrigen de acuerdo a lo descrito en el inciso a de esta parte. h. Si durante la destilación se produce espuma en la muestra, se disminuye el calor para evitar que dicha espuma alcance la entrada del tubo del matraz y en seguida se vuelve a incrementar el calor para obtener la velocidad de destilación antes indicada. En el caso de que persista la espuma, se regulariza la destilación aplicando calor lateralmente en vez de hacerlo en el fondo del matraz. i. Registr

oxi

ción de 0.5cm3 la cantidad de destilado obtenido a cada una



segundos. Durante esta operación se mantendrá en posición sensiblemente horizontal el tubo de salida del matraz, para impedir que regresen al residuo los disolventes condensados que se encuentren en dicho tubo y tan pronto como deje de vaporizar el material en la cápsula, se agita su contenido para homogeneizarlo y tomar de ella, a la temperatura adecuada, las cantidades de residuo asfáltico que se requiere para otras pruebas. Tabla 6.1.

Temperaturas corregidas para efectuar lecturas del volumen destilado, correspondientes a diferentes alturas sobre el nivel del mar.

Altura sobre el nivel del mar (metros). 0 152 305 457 610 762 914 1,067 1,219 1,372

Temperaturas corregidas correspondientes a las nominales en ˚C 190 189 189 188 187 186 186 185 184 184

225 224 224 223 222 221 220 220 219 218

260 259 258 258 257 256 255 254 254 253

316 315 314 313 312 312 311 310 309 308

360 359 358 357 356 355 354 353 352 351

Manual de laboratorio de asfaltos Tabla 6.2.


Corrección de las temperaturas nominales por altura barométrica del lugar.

Temperaturas nominales en ˚C 190 225 260 315 360

Corrección por cada 10 mm de diferencia en la presión barométrica, ˚C* 0.55 0.59 0.63 0.70 0.75

*Estos valores se restarán de las temperaturas nominales correspondientes, temperaturas corregidas a 0.5˚C

aproximando

las

VI.6. CÁLCULOS a. Para encontrar el contenido de cemento asfáltico de la muestra, se resta del volumen original del espécimen mencionado en el inciso (e) de la sección 6.5, el volumen del destilado total. b. Reportar los volúmenes destilados a las temperaturas correspondientes a las nominales de 190, 225, 260 y 315˚C, expresándolos como porcentajes del volumen total destilado a la temperatura correspondiente a la nominal de 360˚C y aproximando los resultados a la



VI.8. TABLA DE DATOS

Volumen de la muestra

Temperatura de

Temperatura de

Volumen destilado en

lectura nominal ˚C

lectura corregida ˚C

cm3

190 225 260 315 360

% de destilación



VI.9. CORRESPONDENCIA CON OTRAS NORMAS ASTM Standards: D -86 Test Method for Distillation of Petroleum Products. D-370 Test Method for Dehydration of Oil-Type Preservatives. E-1

Specification for ASTM Thermometers

E-133 Specification for Distillation equipments. IP Standards 123/ASTM D-86, Distillation of Petroleum Products Thermometers as specified in IP Standards Crow Receiver as specified in British Standards 658:1962 C.O.3 Standard Methods for Testing Tar and its Products



CAP Í TULO VII M É TODO MARSHALL VII.1. INTRODUCCIÓN El método Marshall para el diseño de mezclas de pavimento de concreto asfáltico, fue desarrollado en el Departamento de Autopistas de Mississippi por Bruce Marshall alrededor de 1939. Luego, en 1943, el Cuerpo de Ingenieros de la Estación Experimental de Canales (WES) comenzó el desarrollo de un aparato simple y portátil para diseñar mezclas de asfalto en un campo de aterrizaje. Esto fue impulsado en primer lugar, por el incremento de las cargas que transmitían los aviones a través de sus ruedas durante la segunda guerra mundial. Las presiones de los neumáticos y por ende, las presiones en las zonas de contacto, aumentaron, surgiendo así, la necesidad de desarrollar un método que garantizara un buen comportamiento de los pavimentos ante tales presiones. El Cuerpo de Ingenieros comenzó experimentado con el aparato de Bruce Marshall, logrando diseñar en el laboratorio, varias mezclas de concreto asfáltico mediante la aplicación de una variedad de esfuerzos de compactación (el objetivo era producir densidades que fueran similares a aquellas obtenidas en el campo durante la construcción y uso). Uno de los mayores logros del estudio de compactación del laboratorio fue adoptar un



Este procedimiento es solamente apropiado para pavimentos de cemento asfáltico con un agregado de tamaño máximo que no exceda los 25 mm debido al diámetro de los moldes que se utilizan en esta prueba. Existen unas modificaciones al procedimiento Marshall que utiliza moldes para tamaños máximos de agregados mayores que 25mm. Tales procedimientos modificados no serán discutidos en este manual. Los pasos para llevar a cabo un diseño de mezcla comienza con la aceptación de los materiales (se deberá evaluar los agregados y el cemento asfáltico); la preparación del espécimen; análisis de vacíos y densidad; pruebas de estabilidad de flujo y finalmente análisis de los resultados de las pruebas. A.

Evaluación del agregado 1.

Determinar la aceptabilidad de los agregados para ser utilizados en

la construcción de pavimentos de concreto asfáltico; estas pruebas incluyen la prueba de desgaste de Los Ángeles, equivalente de arena, presencia de sustancias nocivas, etcétera. 2.

Si el material en el paso anterior es aceptable, entonces realice las

otras pruebas requeridas para los agregados: granulometría, gravedad específica y absorción.


3.


Determinar la gravedad específica (Ge) del cemento asfáltico

y graficar los datos de viscosidad con respecto a la temperatura. 4.

Determinar los rangos de temperatura para la compactación y

mezclado, a partir de la grafica viscosidad-temperatura (la temperatura de mezclado debe ser seleccionada para proveer una viscosidad de 170±20 centistocks y la temperatura de compactación debe ser seleccionada para proveer una viscosidad de 280±30 centistocks) VII.2. OBJETIVOS El objetivo de cualquier método de diseño de mezcla de concreto asfáltico es encontrar una combinación (cantidad de asfalto + agregados) que cumpla con las siguientes características:

•

Resistencia a deformaciones permanentes.

•

Resistencia a la fatiga

•

Resistencia al agrietamiento producido por las bajas temperaturas.

•

Durabilidad

•

Resistencia al pulido (debe mantener su rugosidad)

•

Trabajabilidad



en posición vertical sobre una losa rígida de concreto, de tal manera que la placa metálica permanezca en posición horizontal. d. Sujetador metálico para los moldes de compactación. que permita mantener firmemente en posición sobre el centro del pedestal, los cilindros montados con su base y collarín, para compactar la mezcla que contienen. e. Pisón de compactación con superficie circular de apisonado de noventa y ocho punto cuatro (98.4) milímetros de diámetro, teniendo una pesa deslizante de cuatro mil quinientos treinta y seis (4,536) gramos, con altura de caída de cuatrocientos cincuenta y siete punto dos (457.2) milímetros. f. Máquina de prueba Marshall con capacidad de tres mil (3,000) kilogramos accionada con motor eléctrico, equipada con mordazas semicirculares para aplicar cargas a los especimenes de prueba a una velocidad constante de deformación de cincuenta punto ocho (50.8) milímetros por minuto y provista de un dinamómetro de anillo calibrado para cargas,' con sensibilidad de diez (10) kilogramos. g. Extensómetro para medir la deformación vertical o flujo del espécimen, con carrera de veinticinco punto cuatro (25.4) milímetros y aproximación de cero punto un (0.1) milímetro. h. Dispositivo p

xtraer los especi

s del molde



(200°C) y aproximación de un grado centígrado (1°C), con tiro forzado de aire y dimensiones adecuadas para contener las charolas con las muestras de materiales. m. Parrilla eléctrica con capacidad para calentar las muestras de agregados hasta ciento cincuenta grados centígrados (150°C), con control termostático. n. Balanza de dos (2) kilogramos de capacidad y cero punto un (0.1) gramo de sensibilidad. o. Balanza de veinte (20) kilogramos de capacidad y sensibilidad de un (1) gramo. p. Termómetro con cubierta de metal para registrar temperaturas de diez a doscientos grados centígrados (10 a 200°C), con aproximación de dos grados centígrados (2°C). q. Termómetro para el baño de agua que registre temperaturas de veinte a setenta grados centígrados (20 a 70°C) y aproximación de cero punto dos grados centígrados (0.2°C). r. Calibrador tipo máuser, con aproximación de cero punto un (0.1) milímetro. s. Equipo de uso general como charolas rectangulares, charolas redondas, cucharas de albañil, cucharones, espátulas, pinzas para vasos, guantes de hule y guantes de asbesto. t. Este

to de zi

fin



VII.4. PREPARACIÓN DE LA MUESTRA 1. Secar y tamizar los agregados por tamaños y guardar los diferentes pases de agregados en contenedores limpios y secos. Preparar material suficiente para hacer 18 especimenes de aproximadamente de 1150g cada uno. La cantidad mínima de agregados y cemento asfáltico para preparar una serie de especimenes de prueba para una granulometría dada son 25 Kg. (50 lb.) y 4 litros (1 galón), respectivamente. 2. Pesar el agregado para 18 especimenes y colocarlos en contenedores separados. Calentar los agregados hasta la temperatura de mezclado que se determinó en el paso B-4. Sin embargo el peso total de agregado debería ser determinado con se mostrara en el siguiente numeral. 3. Generalmente es mejor preparar un espécimen de prueba antes de comenzar a realizar los 18 especimenes; medir la altura de éste (h1) y comparar con las alturas que se especifican para especimenes de pruebas Marshall (63.5±5. 1mm), si los especimenes están fuera de este rango, ajustar la cantidad de agregados incluidos en el espécimen utilizando la siguiente formula: Q=

63.5 h1

× 1150 g

4. Calentar suficiente cemento asfáltico para preparar un total de 18 especimenes. Tres especimenes compactados deben ser preparados a 5 diferentes cantidades de asfalto. Los



8. Colocar un pedazo de papel circular dentro de un molde Marshall precalentado y ensamblado. Verificar la temperatura. Compactar la mezcla con una espátula caliente 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Remover el collar y acumular el material dentro del molde de manera que el centro quede un poco más alto que en los bordes. Fijar el molde y la base a un pedestal. Colocar el martillo precalentado dentro del molde y aplique el numero apropiado de golpes a la parte superior del espécimen (75 golpes). 9. Quitar el molde de la base y colocar un pedazo de papel circular en la parte superior del espécimen. Rotar el molde 180° de manera que la superficie superior es ahora la inferior. Colocar el collar del molde y asegurarlo a la base y al pedestal. Colocar el martillo dentro del molde y aplicar el mismo numero de golpes. 10. Quitar los trozos de papel y dejar enfriar los especimenes. Remover del molde utilizando un mecanismo hidráulico. Colocar marcas de identificación en cada espécimen. Dejar los especimenes a temperatura ambiente durante una noche antes de realizar las pruebas. 11. Determinar el peso específico4 (del bulk) para cada espécimen. Sumergir las muestras en agua y permitir que se saturen antes de obtener el peso sumergido en condiciones saturadas. Sacar la muestra y pesarla al aire en condiciones saturadas con superficie seca, ésta prueba se realiza de acuerdo a la norma AASHTO T166. 12. Medir la gravedad específica (G ) de las muestra sueltas de acuerdo a la norma ASTM


3.


Acercar el brazo de carga hasta que haga contacto con el espécimen.

Asegurarse de que los indicadores de flujo y carga en la pantalla de la máquina marquen cero (0). Aplicar una carga de 2 pulgadas/minuto (50.8 mm/min.). Cuando observe que la carga disminuye en vez de aumentar, detener la maquina y anotar la estabilidad (carga máxima), en libras y el flujo en 0.01 pulgadas (0.25 mm). La prueba no deberá durar más de 1 minuto después de haber sacado el espécimen del baño. 4.

Repetir los pasos 2 y 3 para las demás muestras. Nótese que el tiempo

máximo que las muestras pueden estar en el baño de agua caliente es de 40 minutos, por lo que solamente se tiene 10 minutos para realizar todas las pruebas. VII.6. CÁLCULOS VII.6.1 Análisis de vacío y densidad. 1. Para cada espécimen, utilizar la gravedad específica Gmb calculada en el inciso 11 de la sección VII.4, y el peso específico Gmm del inciso 12 para calcular el porcentaje de vacíos (VTM).

 

VTM = 1 −

  × 100 G mm   G mb

2. Calcular la densidad de cada espécimen Marshall como sigue:



VII.6.2 Tabular y graficar los resultados de la prueba. 1. Tabular los resultados de las pruebas, corregir los valores de estabilidad para cada altura y obtener el promedio de cada grupo de 3 especimenes. 2. Preparar las siguientes gráficas: a. Contenido de asfalto en función de la densidad. b. Contenido de asfalto en función de la estabilidad Marshall. c. Contenido de asfalto en función del flujo. d. Contenido de asfalto en función del porcentaje de vacíos. e. Contenido de asfalto en función del VFA; y f. Contenido de asfalto en función del VMA. VII.6.3 Determinar el contenido óptimo de asfalto. 1. Determinar: a. El contenido de asfalto con la estabilidad máxima. b. El contenido de asfalto con la densidad máxima. c. El contenido de asfalto en el punto medio del rango de vacíos que se requiere en las especificaciones (normalmente 4%). 2. Sacar un promedio de los tres contenidos de asfaltos obtenidos arriba. 3. Para el

tenido de asfalto promedio, ir a la

afi

determinar las


compactación Estabilidad, lb. (N) Flujo 0.01”


1200

--

8

18

8

16

8

14

3%

5%

3%

5%

3%

5%

(0.25 mm) Porcentaje de vacíos

(5333)

--

1800

750 (3333)

(8000)

--

Tabla 7.1: Criterio de diseño de mezcla por el método Marshall para superficies y bases.

VII.7. OBSERVACIONES Y RECOMENDACIONES Se recomienda seguir el siguiente ejemplo para realizar el diseño de la mezcla por el método Marshall: Ejemplo: Se obtuvo5 90 Kg. de agregado y de 8 a 12 litros (2 -3 galones) de asfalto. Después de secar los agregados, cada muestra de los agregados se cuartea hasta obtener una cantidad razonable para llevar a cabo la granulometría. La granulometría de los 4 agregados se muestra en la tabla 7.2. El siguiente paso es determinar el porcentaje que se utilizará de cada agregado de manera que la



Tabla 7.2: Granulometría de los 4 agregados y límites de las especificaciones.



Se determinó que la gravedad especifica del bulk de la combinación de los agregados Gsb = 2.620. Se encontró la gravedad específica del cemento asfáltico: 1.030. Se prepararon aproximadamente 20 especimenes del agregado utilizando las proporciones encontradas en la tabla 7.3. La mezcla del agregado se calentó hasta la temperatura especificada en la ASTM D1559. Los agregados calientes se mezclaron con diferentes cantidades de cemento asfáltico, de manera que algunas mezclas lleguen a estar por encima y otras por debajo de la cantidad de cemento asfáltico óptimo. Las muestras fueron luego compactadas con una espátula caliente, 15 veces alrededor del perímetro y 10 veces en el interior. Luego se procedió a dar los 75 golpes en cada lado del espécimen con un martillo estándar Marshall caliente, tal y como se especifica en la norma ASTM D1559. Se prepararon tres especimenes de cada uno de los 6 contenidos de cemento asfáltico. Después de ser compactadas las muestras, se sacaron del molde y se dejaron enfriar. Las muestras fueron pesadas para obtener el peso seco al aire (WD), luego sumergidas en el agua y dejadas allí por 3 minutos para permitir que se saturaran. Una vez saturadas se tomó el peso sumergid 6 de la muestra (W ). Luego se sacaron las muestras del agua y



Los siguientes cálculos se llevaron a cabo a la muestra No. 1 a 5.0 de contenido de asfalto: Gravedad especifica del bulk del espécimen compactado (Gmb)

=

1167.8 = 2.253 1169.0 − 650.7

Densidad del espécimen (γ ) = 2.253 × 1 = 2.253 g/ml La canti cantidad dad de vacíos vacíos (VTM (VTM)) para para cada cada mues muestr traa se dete determi rminó nó comp compara arando ndo los los promedios promedios de las densidades densidades del bulk para cada contenido contenido de asfalto con la densidad máxima teórica (TMD) para cada contenido de asfalto. El método mas común para determinar el TMD es el método Rice que se especifica en ASTM D2041. El VTM se determina con la siguiente ecuación:

 

VTM = 1 −

  × 100 Gmm   Gmb

Donde: Gmm: es la gravedad teórica específica máxima de la mezcla y se determina con la siguiente formula:


No. Muestra 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio

Contenido

Peso seco

de Asfalto

WD


Peso

Peso

sumergido

saturado

(WSUB)

(WSSD)

Volumen

5.0 5.0 5.0

1167.8 1164.9 1165.1

650.7 647.0 651.0

1169.0 1166.2 1167.0

518.3 519.2 516.0

5.5 5.5 5.5

1166.4 1179.0 1169.4

652.4 661.4 650.9

1167.5 1180.6 1171.0

515.1 519.2 520.1

6.0 6.0 6.0

1170.4 1181.1 1187.3

656.7 664.7 670.9

1171.0 1181.9 1189.0

514.3 517.2 518.1

6.5 6.5 6.5

1174.2 1185.3 1182.3

661.6 667.7 667.7

1174.7 1186.0 1182.9

513.1 518.3 515..2

7.0 7.0 7.0

1177.5 1183.4 1192.8

663.0 665.4 675.7

1177.9 1183.6 1193.3

514.9 518.2 517.6

7.5 7.5 7.5

1181.9 1173.0 1182.2

663.3 660.2 666.1

1182.3 1173.5 1182.7

519.0 513.3 516.6

Densidad del bulk 140.6 140.0 140.9 140.5 141.3 141.7 140.3 141.1 142.0 142.5 143.0 142.5 142.8 142.7 143.2 142.9 142.7 142.5 143.8 143.0 142.1 142.6 142.8 142.5

Densidad

Cantidad

máxima

de vacíos

teórica

(VTM)

153.1

8.2

% vacíos VMA

llenos de

Estabilidad

Estabilidad

asfalto

observada

corregida

2400 2630 2560

2400 2630 2560 2530 2520 2690 2650 2620 2620 2710 2980 2770 2800 2730 2900 2810 2820 2730 2790 2780 2650 2380 2590 2540

(VFA)

18.3

55.2 2520 2690 2650

152.5

7.5

18.4

59.2 2620 2710 2980

151.3

5.8

18.1

68.0 2800 2730 2900

149.9

4.7

18.3

74.3 2820 2730 2790

148.5

3.7

18.6

80.1 2650 2380 2590

147.1

3.1

Flujo

19.4

84.0

11 11 12 11 11 12 13 12 13 13 12 13 12 13 14 13 14 14 15 14 16 16 14 15

Tabla 7.4: Datos de cada espécimen.

75



GSE

es la gravedad específica del agregado cubierto de asfalto7.

GB

es la la ggra rave veda dadd eesp speecífi cífica ca del del asf asfal alto to..

O también se puede utilizar:

 

VTM = 1 −

 2.252  × 100 = 8.2%  × 100 = 1 −    2.454 

densidad _ Bulk  TMD

Luego se calculó el VMA:

 

VMA = 1001 −

Gmb(1 − Pb)  Gsb



2.252(1 − 0.05)  = 1001 −  = 18.3 2.620  Se calculó el VFA:

 VMA − VTM  × 100   VMA 

VFA = 

18.3 − 8.2  =    × 100 = 55.2% 18 . 3   Y finalmente se procedió a medir la estabilidad y el flujo en la máquina Marshall. No fue necesario hacer correcciones por estabilidad para este espécimen.


Propiedad Estabilidad Flujo VTM

Especificaciones 1500 lbs (6660 N) De 8 a 16 De 3 a 5


Obtenido con 6.7 2800 lbs (12430 N) 14 4.2

Status Cumple Cumple Cumple



VII.8. TABLA DE DATOS Cantidad No. Muestra

Contenido

Peso seco

de Asfalto

WD

Peso

Peso

sumergido

saturado

(WSUB)

(WSSD)

Volumen

Densidad del bulk

Densidad

Cantidad

máxima

de vacíos

teórica

(VTM)

de vacíos VMA

llenos de asfalto

Estabilidad

Estabilidad

observada

corregida

Flujo

(VFA) 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio 1 2 3 Promedio

5.0 5.0 5.0 5.5 5.5 5.5 6.0 6.0 6.0 6.5 6.5 6.5 7.0 7.0 7.0 7.5 7.5 7.5

78

Manual de Laboratorio Vias de Comunicacion

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